防雷器残压和电压保护水平术语
残压(residual voltage Ures)是避雷器或电涌保护器流过放电电流时两端的电压峰值。
电压保护水平(voltage protection level Up)表征电涌保护器限制接线端子间电压的性能参数,其值可从优先值的列表中选择。电压保护水平值应大于限制电压的最高值。
下图是压敏电阻型防雷器(MOV)电压—电流曲线,根据MOV的特性,不同的放电电流对应不同的残压。对于Ⅱ级试验的限压型防雷器,电压保护水平是标称放电电流In下的最大残压值。
电压保护水平Up可以将电涌电压限制到允许的范围内,为了做到对被保护设备的有效保护,应考虑防雷器上下引线的电感电压降ΔU,有效电压保护水平Up/f不应大于被保护设备的耐冲击电压限值Uw,即:
Up/f = Up + ΔU ≤ Uw (1)
式中:
Up/f —— 电涌保护器的有效电压保护水平,kV;
Up —— 电涌保护器的电压保护水平,kV;
Uw —— 设备耐冲击电压额定值,kV。
曾经有文献讨论过一个案例:In为20 kA、Up = 1.8 kV的SPD1,其有效电压保护水平为:Up/f = Up + ΔU = Up + L × (di/dt) = 1.8 + 0.5 × 20/8 = 1.8 + 1.25 = 3.05 kV。
当将SPD1替换为In为80 kA、Up = 2.5 kV的SPD2时,将产生以下问题:
a. 问题1:对于SPD2,Up/f = Up + ΔU ≤ Up + L ×(di/dt)= 2.5 + 5 = 7.5 kV,远远大于被保护设备要求的Uw(4 kV),因此,SPD2将不能保护设备,公式(1)不合理。
b. 问题2:In为80 kA的SPD2实际采用4片压敏电阻并联,当出现20 kA电涌电流,每片压敏电阻分流约5 kA,SPD2上的残压比SPD1上的残压更小,实际保护效果也更好,和问题1矛盾。
实际上,SPD浪涌保护器的选择依赖两个重要参数:
a. 安装处被保护设备的耐冲击电压限值Uw,以此选择SPD的电压保护水平Up。
b. SPD的In应根据安装处的预期放电电流选择,制造厂申明的SPD标称放电电流应满足15次8 / 20 μs正极性In 。
首先,设计选择In为20 kA、Up = 1.8 kV的SPD1,维护更换也应按此规格,不可选择In为80 kA、Up = 2.5 kV的SPD2,否则,不仅造价高,而且不利于多个SPD之间能量配合。
其次,问题1中SPD2上的电感电压降ΔU不能用SPD的标称放电电流参数(In = 80 kA)带入公式L ×(di/dt)计算,而应取安装处预期放电电流(In = 20 kA),因此“ΔU = L × (di/dt) = 5 kV”是错误的。
第三,对于限压型SPD,根据GB 50057 - 2010第 6.4.6条,户外线路进入建筑物处ΔU按1 kV / m计算,在其后可按ΔU = 0.2UP计算。GB 50343 - 2012第5.4.3条第8款要求,SPD两端引线“总长度不宜大于0.5 m”,即户外线路进入建筑物处ΔU不宜大于0.5 kV;GB 50057 - 2010第 4.3.8条第4款“电涌保护器的电压保护水平值应小于或等于2.5 kV”,后续SPD的ΔU = 0.2UP≤ 0.5 kV计算。“ΔU = L ×(di/dt)= 1.8 + 0.5 × 20/8 = 1.8 + 1.25”的计算方法并非规范本意。
第四,模块导轨式SPD防雷器为了提高通流能力,需要增加压敏电阻片的面积和并联数量;为了提高寿命,还会增加压敏电阻片的厚度,以应对不同等级,不同场所的被保护设备的需要。不推荐用In为80 kA、Up = 2.5 kV的SPD2替代In为20 kA、Up = 1.8 kV的SPD1。
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本文全文载于《建筑电气》2021年第2期,详文请见杂志。